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影像測量儀是近年來基于計(jì)算機(jī)視覺檢測技術(shù)發(fā)展起來的一種高效率的新型精密測量儀器，廣泛應(yīng)用于機(jī)械制造、電子、汽車和航天航空等工業(yè)中。它可以用來進(jìn)行零部件的尺寸、形狀及其相互位置的在線檢測，還可應(yīng)用于劃線、定中心孔、光刻集成線路對準(zhǔn)等。由于它的通用性強(qiáng)、測量范圍大、精度高、性能好、實(shí)時(shí)性強(qiáng)、能與柔性制造系統(tǒng)相連接，所以用處相當(dāng)?shù)膹V泛。
1.影像測量儀的組成
影像測量是將被測對象的圖像當(dāng)作檢測和傳遞信息的測量方法，其目的是從圖像中提取有用的信號(hào)，而基于圖像分析、識(shí)別來進(jìn)行測量。圖像是指對物體的發(fā)光以及反射光的視覺印象，因?yàn)橛?jì)算機(jī)只能處理數(shù)字信息，所以圖像并不能直接由計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理，一幅圖像在用計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理之前必須先轉(zhuǎn)化為數(shù)字形式，成為數(shù)字圖像，即進(jìn)行圖像的數(shù)字化。因此，一個(gè)典型的圖像測量系統(tǒng)主要由光源、機(jī)臺(tái)、CCD攝像機(jī)、圖像采集卡、運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)、PC機(jī)6個(gè)部分組成，如下圖所示。通過各個(gè)部分的組合來完成各種不同環(huán)境高精密影像檢測任務(wù)。
影像測量儀的測量過程如下圖所示。首先將待測工件放于工作臺(tái)上，啟動(dòng)運(yùn)動(dòng)控制程序通過運(yùn)動(dòng)控制卡來控制X、Y、Z三軸的運(yùn)動(dòng)使得它們達(dá)到合適的位置，并使待測工件的圖像能夠清晰的呈現(xiàn)到CCD中，CCD把獲得的光信號(hào)轉(zhuǎn)變成為電信號(hào)，然后通過圖像采集卡把被測物體的圖像采集到PC機(jī)里。然后通過圖像處理技術(shù)，空間幾何運(yùn)算，運(yùn)動(dòng)控制以及對光柵數(shù)據(jù)的采集與運(yùn)算來獲得被測物體的幾何尺寸和對要檢測物理量的檢測，最后通過測量軟件完成測量工作，得到所想要得到的參數(shù)，完成測量工作。
影像測量的過程
2.測量誤差分析：
影像測量儀的測量誤差是指影像測量儀本身所固有的誤差。造成儀器的誤差是多方面的，在儀器的設(shè)計(jì)、制造和使用的各個(gè)階段都可能產(chǎn)生誤差，分別稱為測量儀的原理誤差、制造誤差、運(yùn)行誤差。
2.1原理誤差
屬于影像測量儀的原理誤差的是：CCD攝像頭畸變產(chǎn)生的誤差、測量方法不同而產(chǎn)生的誤差。攝像機(jī)的制造和工藝等原因，入射光線在通過各個(gè)透鏡時(shí)的折射誤差和CD點(diǎn)陣位置誤差等，光學(xué)系統(tǒng)存在著非線性的幾何失真，使得目標(biāo)像點(diǎn)與理論像點(diǎn)之間存在多種類型的幾何畸變：徑向畸變、偏心畸變、薄棱鏡畸變等，并且徑向畸變較大，切向畸變和薄棱鏡畸變較小，且圖像中心區(qū)域畸變很小，邊緣畸變大。使用高質(zhì)量鏡頭可以減少畸變誤差的影響，但在精密測量中需要考慮到畸變的影響對測量結(jié)果進(jìn)行修正。
測量方法不同而產(chǎn)生的誤差主要指不同圖像處理技術(shù)帶來的識(shí)別、量化誤差。圖像的邊緣是圖像的基本特征，是物體的輪廓或物體不同表面之間的交界在圖像中的反映。邊緣輪廓是人類識(shí)別物體形狀的重要因素，也是圖像處理中重要的處理對象。在圖像處理的過程中需要進(jìn)行邊緣提取，而數(shù)字圖像處理技術(shù)中邊緣提取有很多不同的方法，選用不同的提取方法會(huì)對同一個(gè)被測件的邊緣位置產(chǎn)生不小的變化，因此會(huì)對最后的測量結(jié)果產(chǎn)生影響，如測量某一圓形工件的半徑和圓心的時(shí)候，當(dāng)圓的輪廓發(fā)生變化時(shí)，它的半徑值和圓心位置就會(huì)相應(yīng)的發(fā)生變化。由此可知，在圖像處理的過程中圖像處理算法對儀器的測量精度有著十分重要的影響，是影像測量所關(guān)注的焦點(diǎn)問題。
2.2制造誤差
屬于影像測量儀的制造誤差的是：導(dǎo)向機(jī)構(gòu)產(chǎn)生的誤差、安裝誤差等。導(dǎo)向機(jī)構(gòu)產(chǎn)生的誤差對影像測量儀來說主要是機(jī)構(gòu)誤差中的直線運(yùn)動(dòng)定位誤差。影像測量儀是正交坐標(biāo)系測量儀器。正交坐標(biāo)系測量儀有3根相互垂直的軸線即X、Y、Z三軸，有3個(gè)運(yùn)動(dòng)部件沿這三根軸線運(yùn)動(dòng)，使CCD相對于被測工件作三維直線運(yùn)動(dòng)。選用高質(zhì)量的運(yùn)動(dòng)導(dǎo)向機(jī)構(gòu)可以減少此類誤差的影響。安裝誤差則主要在于攝像機(jī)與工作臺(tái)面之間的相對關(guān)系，如圖3所示。當(dāng)測量平臺(tái)與CCD攝像機(jī)的鏡頭呈現(xiàn)出一定的角度H時(shí)，根據(jù)幾何學(xué)的知識(shí)可以得到誤差計(jì)算式如下：
D=L(1-cosH)
攝像機(jī)安裝誤差示意圖
如果影像測量儀的測量平臺(tái)水平性能以及CCD攝像機(jī)的安裝十分出色，它們之間的夾角都在范圍以內(nèi)，此誤差非常小。
2.3運(yùn)行誤差
屬于影像測量儀運(yùn)行誤差的是：測量環(huán)境和條件變化引起的誤差(如溫度變化、電壓波動(dòng)、照明條件變化、機(jī)構(gòu)磨損等)，以及動(dòng)態(tài)誤差。由于溫度的改變，使得影像測量儀的零部件尺寸、形狀、相互位置關(guān)系以及一些重要的特性參數(shù)發(fā)生變化，從而影響這臺(tái)儀器的精度。溫度的變化還可能引起電器參數(shù)的改變以及儀器特性的改變，引起溫度靈敏度漂移和溫度零點(diǎn)漂移。電壓及照明條件的變化會(huì)影響到影像測量儀的上，下光源燈的亮度，造成系統(tǒng)光照不均從而使得在采集圖像邊緣留下陰影造成的圖像邊緣提取誤差。磨損使影像測量儀的零件產(chǎn)生尺寸、形狀、位置誤差，配合間隙增加，降低此儀器的工作精度的穩(wěn)定性。因此，測量運(yùn)行條件的改善可以有效地減少此類誤差的影響。
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